基于FPGA的外差信號處理方法

　　外差信號處理原理

　　在雙頻激光外差干涉儀中，光學系統的改善很成熟，要想提高測量精度，對外差信號的處理成為了關鍵。從本質上講，外差信號的處理方法分為頻率解調和相位解調，頻率解調法是將干涉儀測量鏡運動產生的多普勒頻移轉化為對應于運動位移的加減系列脈沖，由可逆計數器計數得到測量結果，典型的是鎖相倍頻計數，以電子倍頻、混頻及計數電路為基礎，對外差信號的多普勒頻差進行“放大”計數。在倍頻電路中，應根據鎖相環(huán)的鎖定范圍合理設計倍頻系數，若超出將造成失鎖。同時由于倍頻后信號的頻率很高，對電子技術、電子器件的要求較高，后期電路設計難度增大。

　　相位解調法，當外差干涉儀的測量鏡移動時，測量光束空間光程發(fā)生變化從而引起外差干涉信號的相位變化，利用相位檢測測出相位變化，即可獲得被測量的大小，本質就是對測量信號與參考信號比相。狹義的相位法也可稱小數測量法，模擬信號采用AD采樣等方法，數字信號中較基礎且典型的是填脈沖法，以參考信號為基準，基于過零檢測原理，對測量信號進行填脈沖，對所填脈沖個數進行計數，獲得測量結果，測量范圍局限于一個周期。廣義的相位法即小數測量結合整周期計數，整周期計數可采用計數器進行計數，計數模式有兩種大數對減和先對減后計數，外差信號的計數方法有兩種，一種是先計數后對減，即先對參考信號和測量信號分別計數，然后將計數結果對減得到測量結果，即大數對減;另一種先對減后計數，即先分別將參考信號和測量信號對頂后形成加減計數脈沖，然后由可逆計數器計數得到測量結果。在本設計中，采用先計數后對減，在原來基礎上做了一定的改善。

　　在設計中，測量信號與參考信號均為數字信號，小數測量基于過零檢測原理，采用填脈沖。具體原理如圖1所示。